Umeå University's logo

We are in the midst of a technological revolution that permeates nearly all human activities; artificial light is one of the most visible contributors in this societal change. If more efficient, green, and versatile light sources can be developed, they might improve the life of millions of people around the world while causing minimal damage to our climate and environment. The unique operational mechanism of the light-emitting electrochemical cell (LEC) makes it an ideal fit for some unconventional and emerging uses of light, in for example medicine and security.

By exploiting this operational mechanism, in which mobile ions enable electrochemical doping of a luminescent polymer, we have designed and fabricated new bilayer LEC architectures. The bilayer LEC features patterned light emission that is easily adjustable during fabrication, and that can be configured to suit new applications of light. Given the light-emitting nature of the LEC, it is somewhat surprising that the optical understanding of its operation is rather limited. To fill this knowledge gap, we investigate how the optical properties of the luminescent polymer respond to electrochemical doping. We find that the complex-refractive index spectrum in the active layer of an LEC, as a direct result of the doping, varies in both space and time. The thin-film structure of an LEC implies that computational predictions of its luminous output need to consider internal reflections and interference. Finally, we implement a doping dependent optical thin-film simulation model. It enables us to precisely replicate the experimental luminance and angle-dependent emission spectrum for a range of LECs with different thicknesses. Using the model we can also identify and quantify many of the different optical loss mechanisms in LECs, which has not previously been done. The insights that we have collected on the path towards our present model will be useful for computational determination of device parameters that are otherwise difficult to acquire.

The improved understanding of the optical operation of LECs is important for the maturation of the technology, as it facilitates formulation of relevant and accurate research questions. Hopefully, our results will accelerate the development of the field, so that useful products based on this technology can become available in the not too distant future.

Just nu pågår en teknologisk revolution som genomsyrar nära nog alla samhällsfunktioner, och där artificiellt ljus har en påfallande viktig roll. Nya ljuskällor, som är mer miljövänliga, effektiva och mångsidiga, skulle kunna förbättra livskvaliten för miljoner människor över hela världen, utan att för den skull skapa problem för vår miljö och vårt klimat. Den ljusemitterande elektrokemiska cellen (LEC) är en teknik som fungerar på ett unikt sätt. Det gör att den är lämplig för nya och okonventionella användningsområden av ljus, exempelvis inom medicin och säkerhetsprodukter.

Vi har kunnat designa och tillverka en ny sorts dubbellagers-LEC genom att utnyttja den interna funktionen i en LEC. Den innebär att rörliga joner möjliggör elektrokemiska oxidations- och reduktionsprocesser (dopning) av en lysande polymer. En dubbellagers-LEC lyser i mönster som enkelt kan anpassas utefter önskemål, och skulle kunna användas i nya sorters ljusapplikationer. Med tanke på att en LEC är en lysande komponent är förståelsen för dess optik förvånansvärt begränsad. För att förbättra dessa kunskaper börjar vi med att undersöka hur den lysande polymerens optiska egenskaper förändras när den dopas. Vi finner att dess optiska egenskaper varierar i tid och rum i det aktiva skiktet i en LEC, som en direkt följd av dopningen. För att sedan med hjälp av de optiska egenskaperna kunna beräkna hur mängden ljus påverkas, måste vi också ta hänsyn till att ljus i tunna skikt kan reflekteras vid gränsytor och interagera med sig själv. Slutligen implementerar vi en dopningsberoende optisk beräkningsmodell för tunna skikt, och lyckas återskapa den experimentellt uppmätta luminansen och de vinkelberoende ljusspektrumen för en serie LECer med olika tjocklek. Utifrån modellen kan vi också identifiera och kvantifiera många av de olika optiska förlustkanalerna i en LEC, vilket inte gjorts tidigare. Vägen fram till den nuvarande modellen har bjudit oss på en rad insikter som gör att vi beräkningsmässigt kan uppskatta komponentegenskaper som annars skulle förbli okända, då de inte går att mäta med direkta metoder.

Den förbättrade optiska förståelsen för LEC-tekniken är viktig för forskningen inom fältet. Våra resultat kan förhoppningsvis accelerera utvecklingen mot bra och användbara produkter, så att dessa blir tillgängliga inom en inte alltför avlägsen framtid.

We live in an artificially lit world, where light enhances our productivity and improves our quality of life. Today our appetite for light is stronger than ever, and emerging light-emitting technologies do not just replace the classical incandescent light bulb, they also open up for a new world of applications. The problem is that our environment does not cope with the increased energy demand during fabrication and usage, and the insufficient recycling that currently follows this rapid technological development. We must therefore adapt, and from here on out consider the entire environmental footprint and the necessity of our devices. Organic electronics has the potential to become sustainable. It allows for cheap and energy-efficient fabrication methods, using abundant materials, mainly carbon. Such sophisticated conductive plastics can be made thin and flexible, and they are thereby very versatile. It is in this context that we find the light-emitting electrochemical cell (LEC)—a strong contender for affordable and sustainable light. The LEC has a simple device design that is fit for solution based fabrication and new useful applications in, for example, medicine. The simple LEC design is enabled by its operational mechanism, where mobile ions aid electronic charge injection and improves electric conductivity by electrochemical doping. However, this dynamic nature complicates the attainment of devices that are efficient, bright, and retain a long lifetime. Herein, we face these challenges with sustainability as the beacon. We find that careful design of the active material, and selection of its constituents, can lead to LECs that are both efficient and bright. Importantly we show that this is attainable with entirely organic active materials, via thermally activated delayed fluorescence; thereby moving away from unsustainable phosphorescent emitters that contain problematic rare metals. With large-scale manufacturing in mind, we introduce a tool that identifies environmentally benign and functional solvents. Furthermore we design and validate a realistic optical model that unveils the common optical loss mechanisms in LECs. The insights gained guide the optical design of highly efficient LECs in the transition towards an upscaled production.I hope that the progress made will contribute to a road map for the design of sustainable light-emitting devices. It is then our responsibility, as a society, to make use of them where needed.

Vår värld är fylld av ljuskällor som bidrar till både vår livskvalitet och produktivitet. Idag är suget efter ljus större än någonsin, då nya ljuskällor inte bara ersätterde gamla, utan öppnar även upp för helt nya användningsområden. Problemet är att vår miljö inte klarar av den höga energiförbrukningen och bristfälliga återvinningen, som följer den ökade användningen. Vi måste därför anpassa oss, och se över det totala miljöavtrycket från både tillverkning och användning av våra produkter. En hållbar lösning kan vara organisk elektronik. Denna teknik möjliggör för billig och energieffektiv tillverkning, och baseras på vanligt förekommande ämnen, främst kol. Dessa elektriskt ledande plaster kan göras både tunna och böjbara och är därmed väldigt anpassningsbara. En så kallad ljusemitterande elektrokemisk cell (LEC) har en förhållandevis enkel konstrution. Den lämpar sig för energisnål tillverkning, och för nya användningsområden inom exempelvis medicin. En LECs enkla konstruktion är möjlig tack vare rörliga joner i det aktiva materialet. Jonerna möjliggör injektion av elektroniska laddningar till det aktiva materialet och förbättrar dess elektriska ledningsförmåga genom elektrokemisk dopning. Dynamiken i det aktiva materialet försvårar dock utvecklingen — det är svårt att få fram komponenter med hög effektivitet och ljusstyrka, som samtidigt har en lång livslängd. I denna avhandling tar vi oss an dessa utmaningar med hållbarhet som ledord. Vi visar att noggrant utvalda material, och design av det aktiva materialet, kan göra att en LEC blir både ljusstark och effektiv. Vi visar dessutom att detta inte kräver ohållbara fosforescerande material, som ofta innehåller problematiska ädelmetaller, utan att det är möjligt från helt organiska material via termiskt aktiverad fördröjd fluorescens. Framtidsbilden för en LEC är storskalig tillverkning, men för en sådan krävs också stora mängder lösningsmedel. Med detta i åtanke har vi skapat ett verktyg för att identifiera lämpliga miljövänliga lösningsmedel. Dessutom har vi utvecklat en realistiskoptisk beräkningsmodell med god experimentell överrensstämmelse. Modellen ger oss en bättre förståelse för de olika optiska förlustkanalerna i en LEC, vilket är viktigt för att bibehålla deras prestanda i övergången till storskalig tillverkning. Jag hoppas att vägen vi banat kommer skynda på utvecklingen av hållbara ljuskällor samt att vi alla tar vårat ansvar och ser till att de används på ett ansvarsfullt sätt.